论文部分内容阅读
面对当前严峻的钢铁行业形势,亟需研究微合金化成分设计和控轧控冷技术来实现钢中微观组织控制,从而制备低成本、高性能的高强钢,以满足工程机械用材料的高强度、高韧性、轻量化、低成本的要求。本文提出两种先进的工程机械用高强钢,一种是多相组织960MPa级高强钢,应用于特大型汽车起重机、混凝土泵车伸臂;另一种是铁素体型系列高强钢(屈服强度为500、600、700MPa级),应用于大中型汽车起重机伸臂、基座等。通过实验室研究及大生产工艺试验,并利用Gleeble3800、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能谱分析仪(EDS)和力学性能测试等多种方法研究了两种先进高强钢的微观组织演变、性能特征及强化机理,并对关键生产工艺进行开发研究,铁素体型系列高强钢实现工业化应用,主要研究内容及结论如下:1、利用热模拟Gleeble3800研究了热变形压下量、变形速率、变形温度对高强钢微观组织的影响。研究结果表明,试验钢中的微观组织主要由包含位错结构的多边型、针状铁素体以及细针状、板状铁素体构成。随着热变形压下量增加,相变形核点和相变驱动力增加,位错密度增加,多边型铁素体尺寸减少,特别是形成了约150nm厚,1-3μm长的板状铁素体,微观组织进一步细化,有利于性能提升;随着变形速率的增加,微观组织中出现了项链状细小的铁素体晶粒,马氏体板条的取向逐渐趋于一致,其内部的亚结构消失,条带状铁素体宽度增加,内部针状组织消失;变形温度影响着试验钢的变形机制,较低温度下为贝氏体相变,微观组织由块状、针状铁素体和粒状贝氏体相构成,较高温度下为马氏体相变,微观组织由与条带状铁素体交错排列而形成的马氏体区域和多边形铁素体构成。2、控轧控冷试验研究结果表明,微合金化设计与控轧控冷(TMCP)技术相结合生产出的960MPa级高强钢,其微观组织由多边形铁素体、板条状铁素体、残余奥氏体或M-A岛、高密度位错以及析出物组成,位错、析出强化以及板条状组织为试验钢强化机制。随着终轧温度升高,钢中板条状组织以及多边形铁素体尺寸减小,位错密度增加,钢的强度、韧性增加,塑性下降;随着卷取温度升高,贝氏铁素体形成、析出物出现、位错密度降低,钢的强度下降,韧性上升;试验钢的冲击吸收功随着卷取温度的下降呈现出先减后增的趋势,但增加值小于下降值,位错结构能够提升钢的冲击韧性,位错墙比位错网和位错缠结对冲击韧性的提升程度更大;当终轧温度和卷取温度分别为860oC和290oC,获得了屈服强度为1069MPa、伸长率为10%,冲击功为50J,综合力学性能最优。3、回火工艺试验研究结果表明,随着回火温度的增加,试验钢屈服强度和屈强比逐渐增加,抗拉强度和冲击功先增后降,总伸长率变化较小。经220oC回火后屈服强度增幅最大为70MPa,620oC回火后冲击吸收功减少16.6J。回火温度升高时,试验钢微观组织中细小的析出物首先出现并随回火温度尺寸增加,位错密度下降,板条状组织合并长大,残余奥氏体薄膜分解,从而引起了对应的力学性能变化。4、对比试验分析了铌钛复合强化及单钛强化的铁素体型系列高强钢的强化机理。研究结果表明,通过析出强化温度控制与超细晶工艺的精确匹配,铌钛复合强化高强钢组织中18nm以下析出相的质量分数达35%以上,铁素体晶粒平均直径3.3μm,屈服强度可提高至700MPa。从单钛微合金化ST-TQ500与铌钛复合NT-TQ500的强化机制对比来看,固溶强化与细晶强化作用相当,差值小于2MPa;ST-TQ500的析出强化作用比NT-TQ500高约88MPa,这与卷取阶段含Ti纳米级第二相更强的析出强化有关;ST-TQ500的位错强化比NT-TQ500低约80MPa,这与含Nb钢在精轧阶段更明显的抑制奥氏体再结晶及高温软化行为有关。单钛强化的铁素体晶粒平均尺寸为3.8um,晶内纳米级析出相平均尺寸为12.5nm,体积分数达6.8%,屈服强度可提高至600MPa。5、关键生产工艺研究表明,通过冶炼全程对氧的综合控制,达到高含量Ti(0.1%)的波动范围在0.03%,通过对铸坯加热、精轧、卷取等不同阶段的温度精准控制,解决了钛微合金化钢强度波动大的技术难题;多相960MPa级高强钢经多轮工业化小批量试制,综合力学性能良好,为实现工业化应用积累了经验。